Способ определения теплофизических параметров влагонасыщенных веществ Советский патент 1984 года по МПК G01N25/18 

ел 11 Изобретение относится к исследованию теплофизических параметров вещества, в частности к геофизическим исследованиям на акваториях с целью определения физических характеристик донных осадков, при этом определяемыми параметрами являются коэффициен температуропроводности ай объемная теплоемкость Pj; и коэффициент те-плопроводносТи .. . Известен способ определения тепло фиэических параметров вещества, заключающийся в измерении процесса изменения температуры, создаваемой в результате теплового взаимодействия изучаемой среды и внедряемого в него зонда t П. Однако разность температуры среды и зонда является величиной нерегулир емой. Этот недостаток особенно существенен при исследовании свойств удаленных объектов, например, при изучении придонных грунтов на акваториях, В этом случае начальная температура зонда температуре при донного слоя воды, следствием чего является малая начальная разность температур зонда и среды и, соответственно, низкая точность опредеаления теплофизических параметров. Наиболее близким к изобретению яв ляется способ определения теплофизических параметров веществ, заключающийся в измерении процесса изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и сравнении полученной температурной кривой с эталонной . Недостатком известного способа яв ляется больщое время измерений, поскольку определение теплофизических параметров осуществляется по асимпто тическим участкам кривых Т() , описьшающих процесс изменения температуры Т от времени t. Помимо очевидных технологических трудностей, связанных с необходимостью проведения орительных наблюдений, увеличение времени экспозиции вызывает и принципиальные проблемы: при длительном искусственном нагреве влагонасыщенных сред, например придонных грунтов в них развиваются процессы массовлагопереноса, что делает полностью непригодными методы интерпретации кривых или снижает точность определения Время измерений составляет 5-15 мин в зависимости от типа веществ, при 02 этом погрешности в определениях могут достигать 100-200%. Целью изобретения является уменьшение времени и позышение точности определения. Указанная цель достигается тем, что согласно способу определения теплофизических параметров веществ, заключающемуся в измерении изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и в сравнении полученной температурной кривой с эталонной, по которому определяют коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемную теплоемкость., через исследуемое вещество пропускают импульс электрического тока с помощью помещенных в него двух электродов, длительность которого ЛТ выбирают из соотношения ЛТ OjOOl clV Ж-г , где d - наибольший линейный размер электродов;, 3e.f наименьшее теоретически возможное для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности, а тe шepaтypy измеряют на границе одного из электродов с исследуемым веществом. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. В исследуемое вещество (среду ) помещают пару электродов, через которые, начиная с некоторого момента времениt ij, до моментаf-fj Q nponycкают импульс электрического тока длительностью ()j,. Если принять, что при температура среды T{x,,z,l) 0., то при она описывается уравнением cfT , (1) где р - плотность среды С -- удельная теплоемкость среды; Т - температура; if - время; Л коэффициент теплопроводности среды; Л Т --; лапласиан; .iL , J ,XiViZ- декартовы координаты точек среды; v(,z,t) - плотность тока; E(X,V,Z,t)- напряженность электрического поля; с - объемная теплоемкость. решение уравнения (1) зависит от формы электродов, размеров и формы образца породы, на котором проводится определение. Не ограничивая общности способа, рассмотрим распределение поля температур для случая сферического электрода радиуса G , на ходящегося в безграничной среде на большом в сравнении с С5( удалении от второго электрода произвольной формы и с площадью поверхности, много большей поверхности сферического электрода. Предполагается далее что сферический электрод - бесконечно тонкая электропроводящая оболочка с нулевой собственной теплоемкостью которая вырезает в среде сферическую полость радиуса о(, Это означает, что сферическая область среды с радиусом теплоизолирована и имеет место граничное условие: 0 Длительность импульса тока и его величина ограничены, поэтому T(fe,T)0, г (3) где ) - радиус сферической области среды на большом удалении от сферического электрода. Если длительность t импульса эле трического тока мала в сравнении с длительностью процесса выравнивания температуры вследствие теплопроводности, то изменение температуры в среде можно описать двумя уравнения -. С 71ЛТ , 1Г. Интегрируя уравнение (.4), получаем .ч-Ш--1 1.

где(/(дс)- электрическая энергия, выделивщаяся в среде за время tif протекания импульса тока;

4-4

V-rJia объем сферической плотности (-сферическая координата точек среды.

Объемная теплоемкость, таким образом, может быть определена, если измерить температуру на поверхности сферического электрода в момент окончания импульса тока.

где X - переменная интегрирования.

На границе сферической нагревательной полости() получаем

-(otK«)t

со

t(i,t),e

sinot og .

Таким образом, нормированная температура T(e,t), измеренная на границе нагреваемой сферической области, есть функция безразмерного времени t и некоторого произвольного параметра f(t-cii)/o(.. Поскольку, как следует из 3 Т() Коэффициент температуропроводности зе, получается из решения уравнения t5 ), которое для сферически симетричного поля принимает вид , (8| .,2 сЛг для которого справедливы граничные условия 2 ) и С 3 ) и начальное условиеT(f,r)T(p при где ж Л т т/ 1 - W(af) , 3v7c где TQ- температура на стенке нагреваемой сферической полости в момент , который принят за начало отсчета времени. Решая (8) методом разделения переменных, получаем т1м|.б,,-°- ° ° -- . 1.1 к где Т Т/То; (; Ье/а-, t. «.r/Df2 нормированные безразмерные значения температуры, координат и времени, , ot,- константы, каждая из которых определяет одно из частных рещений уравнения (8 ) находится из уравнения , , (1) Б| - константы, определяемые соотноше ни ем sinoi CTe(X-l|dIj Fg ечсозы.,аг

5 , TeMviepaTypa прк OlttHb dbiCrpi:,), Г.

С-ПЗ/аТЬ ИзОЬ ТОЧ;/ую

тическн равной HyiiKЧисленнь5г:

проведенные для

а г конкрагпг-.к . t:ii:oco6oB-. лагрвва показывают „ чгС кривые Т {if) 5 рассчитанные для С :м и ,, viojiHocTbio идентичны, Располагая теоратичесхой кривой TiiSi,, определяем коэффициент темпепа|з ог рО; СГ :ностк расг етным путем: определяем температурь не поверх Hocii-; нагоеваемой обл.г.сли в моменты в момент окончания ,,,,-Т„, и T,j ; по изjir:;j-.C:::iCM-- :j,-n,4n;uiio П,}(,й/теоретлческоя ;сг:нвой Т (i . (i г) /Т и BD 5;-i:2H4 Ч огтредсля€К a6cij;Hccy | на eopeтичecяoн кривой, ор-сфой Т (i,cji/T0; следова Чф.1иVИе-гт емпературопро.:,:.,. ,

измепе шя температурь па пов:;рхпо,сти электрода наблюдается длит ::;лькое-времЯ;, то Ж может быть определега по значению

со

где

:: ::-:, об - м:;ой теплопроводностн п, опрег елястся из формулы (7). Сле;торп/:е;(г::;о,, гго определенным | к К ЕЫ1ио.ляг. коэффициент теплопроводное тн I - si р J.- ,

Такнч эбраяоы, сущность предлагаe.icro слчеоб заключаетея в импульсном соъсмлог.; иагреве изучаемой средь, Чгс дэсткгается п ЮпусканиеМ: через пае импульса электрического тока, и в измерении процесса изменения температуры на границе одного из электргэдов, тереэ которые пропускают электрический ток, со средой

Пред; а; аемое техническое решение nosBOJiHeT осуществлять объемный и Непрерывньм в каждой точке нагрев среды, а изменение формы изьгеряемого образца и формы электродов, через которые пропускают электричесК1-Ш ток, позволяет использовать способ ripii различных видах исследований - как натурньпс, так и лабораторных,

Дл; длительности нагрева ,5f (гпктепьности импульса тока) и избьпочной .:е ;пературы рассмотрим случай: измерительный электрод с радиусом d 0,5 см помещен в морские илы с 4(0мм) , р 0,5 кал/смград электрический .ток через электродь пропускается путем разряда конденсатора емкостью мкф, заряженного до напряжения 11(5 OD В, сопротивление заземления Ом. Тогда эффективная длительность импульса тока , за которую в среде выделяется 99,75% энергии Wo CU§/2, составляет 6 мс. При этом температура Г(о,С.,„., 1 на поверхности электрода

КОп г

увеличивается на 0,. При уменьшении о до 0,4 см, время Ai увели5 чивается до 8 мс, а скачок температуры до 0,18°С. За время 4f прогрева- ется шаровой слой толщиной 2,2 и , причем на внешней границе слоя температура составляет 0,01 Т(о(,).

0 Время измерения для определения коэффициента температуропроводности составляет в этих условиях 3-10 с. Предлагаег.1ый способ опробован с помощьи численного моделирования,

5 расчеты проведены по формулам {12)(13) ,и показывают, что для всех 6 10 кривые Т (l,tr) совпадают так, что теоретическая кривая для данной геометрии электродов (сферический

„ измерительный электрод, отнесенга.ш на бесконечность от второго электрода произвольной форм1з1) является единственной.. Из расчетной кривой остывания Т (1 jtr) следует, что при 0,4 температура на поверхности

электрода надает до 0,62 TQ, такая разность температур легко измеряется даже приборами с небольшим динамическим диапазоном. В принципе определение температуропроводности можно

вести интегральным способом, используя всю кривую Т(1 Д) , т.е. наблюдая процесс изменения температуры до времен Т j,2-1,3, когда площадь под кривой Т(1,т)достигнет величины

( 0,96-0,98)5да.Использование интегрального способа позволяет повысить точность измерений при наличии случайных помех, хотя увеличивает время язмерений.

0 Расчеты показывают далее, что при У 0,001 температура на поверхности электрода падает менее, чем на 1% от Tjj, Следовательно, если длительность выделения электрической энергии

5 .iSt (или длительность импульса электрического тока / удовлетворяет условию

ЙГ 0,001«2/ж , (4Г

71

то можно пренебречь процессом диффузии тепла и считать, что принятое при выводе основных соотношений предлагаемого метода условия мгновенности нагрева среды выполняется с высокой точностью.

Для морских осадков с и радиусе электрода о(0,5 см время измерений составляет 3 с, при Т 0,04 и 100 с при использовании интегрального метода (,3|. При этом длительность дТ электрического импульса не должна превышать 83 мс, что легко реализуется при использовании практически любых импульсных источников тока.

Таким образом, при определении эб по отдельным точкам кривой Т (,) время измерения составляет единицы секунд, а интегральным методом десятки секунд, в отличие от 5-15 мин для известного.

При выборе длительности импульса электрического тока из (14) следует использовать теоретически минимально возмояшое для исследуемого вещества значение коэффициента температуропроводности .

08

Использование предлагаемого способа обеспечивает повьшение точности и уменьшение времени наблюдений, так как импульсный электрический ток при прохождении через изучаемую среду реализует практически мгновенный объемный и непрерывный ее нагрев в течение 5-10 мс; достаточно резкое изменение температуры на

границе электрода со средой после окончания импульса тока происходит в течение 3-10 с, что позволяет получить точность определений порядка 1%.

Основная область применения предлагаемого способа - геофизические исследования на акваториях с целью определения физических характеристик донных осадков. Использование электродов различной конфигурации позволяет производить измерение как в натуральных, так и в лабораторных условиях.

Способ обеспечивает большой экономический эффект, связанный с сокращением времени наблюдений примерно в 50-100 раз в сравнении с известными способами, что приводит к соответствующему увеличению производительности работ.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШГОФИЗИЧЕСИИ ПАРАМЕТРОВ ВЛАГОНАСЫЩЕННЫХ , ВЕЩЕСТВ, заключающийся в измерении изменения температуры, создаваемой при нагреве исследуемого вещества, и в сравнении полученной температурной кривой с эталонной, по которому определяют коэффициенты температуропроводности, теплопроводности и объемную теплоемкость, отличающийся тем, что, с целью уменьшения времени и повышения точности определения, через исследуемое вещество пропускают импульс электрического тока с помощью помещенных в него двух электродов, длительность которого выбирают из соотношения Ati 0,001 а ,e tx - наибольший линейный размер электродовj Х., наi именьшее теоретически возможное для исследуемого вещества значение ко(Л эффициента температуропроводности, а температуру измеряют на границе С одного из электродов с исследуемым веществом.